介電常數(shù)測(cè)量方法.doc

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1、.電子工程學(xué)院電磁場(chǎng)與微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)論文班級(jí)學(xué)號(hào)班序號(hào)聯(lián)系指導(dǎo)教師：撰寫(xiě)日期：范文..介電常數(shù)測(cè)量的常用方法介電常數(shù)是物體的重要物理性質(zhì)，對(duì)介電常數(shù)的研究有重要的理論和應(yīng)用意義。從總體來(lái)說(shuō)，目前測(cè)量介電常數(shù)的方法主要有集中電路法、傳輸線(xiàn)法、諧振法、自由空間法。其中，傳輸線(xiàn)法、集中電路法、諧振法等屬于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法，測(cè)量通常是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，對(duì)于已知介電常數(shù)材料發(fā)泡后的介電常數(shù)通常用經(jīng)驗(yàn)公式得到。下面，分別對(duì)實(shí)驗(yàn)室的這幾種方法的原理、特點(diǎn)做詳細(xì)闡述，對(duì)自由空間法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。1.集中電路法集中電路法是一種在低頻段將有耗材料填充電容，利用電容各參數(shù)以及測(cè)量得到的導(dǎo)納推出介

2、電常數(shù)的一種方法。其原理公式為其中，Y為導(dǎo)納，A為電容面積，d為極板間距離，ε0為空氣介電常數(shù)，ω為角頻率。為了測(cè)量導(dǎo)納，通常用并聯(lián)諧振回路測(cè)出Q值(品質(zhì)因數(shù))和頻率，進(jìn)而推出介電常數(shù)。由于其高頻率會(huì)受到小電感的限制，這種方法的高頻率一般是100MHz。小電感一般為10nHz左右。如果電感過(guò)小，高頻段雜散電容影響太大。如果頻率過(guò)高，則會(huì)形成駐波，改變諧振頻率同時(shí)輻射損耗驟然增加。但這種方法并不適用于低損材料。因?yàn)檫@種方法能測(cè)得的Q值只有200左右，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得tanδ也只在10?4左右。這種方法不但準(zhǔn)確度不高，而且只能測(cè)量較低頻率，在現(xiàn)有通信應(yīng)用要求下已不經(jīng)常

3、應(yīng)用。2.傳輸線(xiàn)法傳輸線(xiàn)法是網(wǎng)絡(luò)法的一種，是將介質(zhì)置入測(cè)試系統(tǒng)適當(dāng)位置作為單端口或雙端口網(wǎng)絡(luò)。雙端口情況下，通過(guò)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的s參數(shù)來(lái)得到微波的電磁參數(shù)。圖1為雙端口傳輸線(xiàn)法的原理示意圖傳輸系數(shù)用Гs表示，為范文..其中，Г表示空氣樣品的反射系數(shù)，γ為傳播系數(shù)，l為樣品長(zhǎng)度。反射系數(shù)可以表示為其中f0是無(wú)樣品時(shí)傳輸線(xiàn)的截止頻率，對(duì)于TEM模傳輸線(xiàn)，f0=0。γ表示為可以求出：其中ГB為反射系數(shù)。同時(shí)測(cè)量傳輸系數(shù)或者反射系數(shù)的相位和幅度，改變樣品長(zhǎng)度或者測(cè)量頻率，測(cè)出這時(shí)的幅度響應(yīng)，聯(lián)立方程組就能夠求出相對(duì)介電常數(shù)。單端口情況下，通過(guò)測(cè)量復(fù)反射系數(shù)Г來(lái)得到材料的復(fù)介電常數(shù)

4、。因此常見(jiàn)的方法有填充樣品傳輸線(xiàn)段法、樣品填充同軸線(xiàn)終端法和將樣品置于開(kāi)口傳輸線(xiàn)終端測(cè)量的方法。第一種方法通過(guò)改變樣品長(zhǎng)度及測(cè)量頻率來(lái)測(cè)量幅度響應(yīng)，求出εr。這種方法可以測(cè)得傳輸波和反射波極小點(diǎn)隨樣品長(zhǎng)度及頻率的變換，同時(shí)能夠避免復(fù)超越方程和的迭代求解。但這一種方法僅限于低、中損耗介質(zhì)，對(duì)于高損耗介質(zhì)，樣品中沒(méi)有多次反射。傳輸線(xiàn)法適用于εr較大的固體及液體，而對(duì)于εr比較小的氣體不太適用。3.諧振法諧振法是將樣品作為諧振結(jié)構(gòu)的一部分來(lái)測(cè)量介電常數(shù)的方法，分為微擾法、全部填充諧振器空間的方法以及部分填充諧振器空間的方法。全部填充可以用下面公式來(lái)計(jì)算范文..其中ε'是復(fù)

5、介電常數(shù)實(shí)部，ε"是復(fù)介電常數(shù)虛部，Q是品質(zhì)因數(shù)，tanδ是損耗角正切，f0是無(wú)樣品時(shí)的諧振頻率。部分填充主要是為了減小樣品尺寸以及材料對(duì)于諧振器參數(shù)的影響，難以進(jìn)行精確地計(jì)算，一般用于矯正。微擾法要求相對(duì)較小的尺寸，并且相對(duì)頻偏要小于0.001，這種情況下其具體尺寸形狀可用填充因子s表示：其中f0是無(wú)樣品時(shí)的諧振頻率，QL是品質(zhì)因數(shù)，εr是相對(duì)介電常數(shù)，A(εr)是聯(lián)系相對(duì)介電常數(shù)以及微擾腔參數(shù)的函數(shù)。此時(shí)不論形狀尺寸如何，只要得到填充因子s即可方便求出相對(duì)介電常數(shù)。利用此方法可以測(cè)量幾乎所有的材料的介電常數(shù)，但是在校準(zhǔn)時(shí)要求采用同一形狀。在頻率上區(qū)分，當(dāng)頻率高于

6、1GHz時(shí)，可以用波導(dǎo)腔測(cè)量介電常數(shù)，但是當(dāng)頻率高于10GHz時(shí)，由于基模腔太小等原因，對(duì)于介電常數(shù)的測(cè)量提出了新的挑戰(zhàn)。諧振法的具體方法有很多，如：矩形腔法、諧振腔微擾法、微帶線(xiàn)諧振器法、帶狀線(xiàn)諧振器法、介質(zhì)諧振器法、高Q腔法等。近年來(lái)對(duì)于諧振法又有新的方法不斷出現(xiàn)和改善。4.自由空間法自由空間法其實(shí)也可算是傳輸線(xiàn)法。它的原理可參考線(xiàn)路傳輸法，通過(guò)測(cè)得傳輸和反射系數(shù)，改變樣品數(shù)據(jù)和頻率來(lái)得到介電常數(shù)的數(shù)值。圖2為其示意圖。范文..自由空間法與傳輸線(xiàn)法有所不同。傳輸線(xiàn)法要求波導(dǎo)壁和被測(cè)材料完全接觸，而自由空間法克服了這個(gè)缺點(diǎn)。自由空間法保存了線(xiàn)路傳輸法可以測(cè)量寬頻帶

7、圍的優(yōu)點(diǎn)。自由空間法要求材料要有足夠的損耗，否則會(huì)在材料中形成駐波并且引起誤差。因此，這種方法只適用于高于3GHz的高頻情況。其高頻率可以達(dá)到100GHz。5.總結(jié)介電常數(shù)的測(cè)量技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，就測(cè)量方法而言，幾種主要的測(cè)量方法各有利弊。集中電路法適用于低頻情況；傳輸線(xiàn)法頻率覆蓋圍較廣，適用于介電常數(shù)較大的材料，其多數(shù)方法對(duì)于高損和薄膜等材料不太適用，方法簡(jiǎn)單準(zhǔn)確；諧振法只能在有限頻率點(diǎn)下進(jìn)行測(cè)量，適用于低損材料，方法簡(jiǎn)單準(zhǔn)確、單模性好；自由空間法準(zhǔn)確性相對(duì)較差，但是可以實(shí)現(xiàn)實(shí)地測(cè)量?？梢?jiàn)，并不存在一種方法可以完全代替其他方法，不同的方法都有